Πυρηνική Φυσική. Η Φυσική των πρωτονίων, νετρονίων και των πυρηνικών δυνάμεων. Ατομικός πυρήνας

Transcript

1 Πυρηνική Φυσική Η Φυσική των πρωτονίων, νετρονίων και των πυρηνικών δυνάμεων. Ατομικός πυρήνας Τάξεις μεγέθους χώρου και ενέργειας Πυρηνική ακτινοβολία α, β, γ Επίδραση στους οργανισμούς Δοσιμετρία Προστασία

2 Η ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΥΡΗΝΑ Ο όρος «πυρήνας» (nucleus) εισάγεται το 1912 από τον Rutherford. Κάθε άτομο αποτελείται από μια περιορισμένη περιοχή όπου συγκεντρώνεται το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και το θετικό του φορτίο, τον πυρήνα, ο οποίος περιβάλλεται από μια κατανομή ηλεκτρονίων. Προσεγγιστικός υπολογισμός μεγέθους ατόμων από 1880: Διάμετρος ατόμου ~10-10m = 1Å Υπολογισμός Rutherford για την ακτίνα του πυρήνα: R = 4,9 x 10-14m Ο πυρήνας είναι περίπου φορές μικρότερος από το άτομο

3

4 Πείραμα Rutherford 1920, Rutherford προτείνει το όνομα ΠΡΩΤΟΝΙΟ (proton) από την ελληνική λέξη πρώτος -Mάζα πρωτονίου: 1836 φορές του ηλεκτρονίου. -Φορτίο πρωτονίου θετικό, ακριβώς όσο και ηλεκτρονίου Φορτίο για άτομο υδρογόνου ουδέτερο με ακρίβεια 22 δεκαδ. Ψηφίων. Εντυπωσιακή ισότητα φορτίου, πρωτόνιο σύνθετο, έχει δομή.

5 Ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων του αντίστοιχου ουδετέρου ατόμου και ονομάζεται ΑΤΟΜΙΚΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ, Ζ. Η μάζα που προκύπτει από τον ατομικό αριθμό ενός στοιχείου παρουσιάζει έλλειμμα συγκριτικά με τις προσδιορισμένες στον περιοδικό πίνακα ατομικές μάζες (Α) Π.χ. Ουράνιο: Ζ = 92 και μάζα 238.

6 Πείραμα Chadwick, Be C n Μάζα επάνω δείκτης, φορτίο κάτω δείκτης Ύπαρξη ενός ουδετέρου σωματιδίου με μάζα περίπου αυτή του πρωτονίου. Δεν υπάρχουν e στον πυρήνα, το νετρόνιο είναι ένα απλό σωματίδιο όπως το πρωτόνιο με μάζα 1839 φορές > me

7 W. Heisenberg: Όλοι οι πυρήνες αποτελούνται αποκλειστικά από νετρόνια (Ν) και πρωτόνια (Ζ) ο συνολικός αριθμός των οποίων ορίζει την ατομική μάζα ή μαζικό αριθμό (Α): Α=Ζ+Ν Τα στοιχεία συμβολίζονται ως: A Z X Π.χ το U ουράνιο έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια, δηλ. μαζικό αριθμό Α = 238 Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ως αποκλειστικά στοιχεία του πυρήνα (nucleus) αποδίδονται με το κοινό όνομα ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΑ

8 Τα νετρόνια είναι εξαιρετικά ασταθή όταν απομακρύνονται από τον πυρήνα. Διασπώνται δίνοντας ένα ηλεκτρόνιο, ένα πρωτόνιο και ένα νετρίνο. Αυτό εξηγεί την φαινομενική εκπομπή ηλεκτρονίων από τον πυρήνα.? Γιατί τα νετρόνια παραμένουν ευσταθή στον πυρήνα;? Γιατί τα πρωτόνια στον πυρήνα δεν απωθούνται ακολουθώντας τις αλληλεπιδράσεις Coulomb;? Γιατί τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα δεν καταρρέουν πάνω σε αυτόν;

9 ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Απωστική δύναμη Coulomb (1/r2) μεταξύ πρωτονίου πρωτονίου = 50 Ν ΤΕΡΑΣΤΙΑ για τις μικρές μάζες των πρωτονίων (Δεν θα μπορούσε να σχηματιστεί κανένας άλλος πυρήνας πέραν του Υδρογόνου...) Μέσα στον πυρήνα υπάρχουν κι άλλες δυνάμεις που συγκρατούν τα νουκλεόνια. Δυνάμεις μικρής εμβέλειας (~1 fm = 10-15m) ΙΣΧΥΡΑ ΕΛΚΤΙΚΕΣ Γίνονται απωστικές σε αποστάσεις μεταξύ νουκλεονίων < 0,5 fm (δύο νουκλεόνια δεν μπορούν να καταλαμβάνουν τον ίδιο χώρο) και εξαρτώνται από το spin των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι εκδήλωση των θεμελιώδων ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων. Η πιο ισχυρή από όλες τις γνωστές αλληλεπιδράσεις (πρωτόνιο-πρωτόνιο στα 2 fm) είναι περίπου 100 φορές ισχυρότερη από την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση και 1034 φορές ισχυρότερη της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Ενώ η ενέργεια ιονισμού του ατόμου του υδρογόνου (απομάκρυνση ηλεκτρονίου) είναι 13,6 ev, απαιτείται ενέργεια 8MeV για την απομάκρυνση ενός νουκλεονίου από τον πυρήνα. Γι αυτό οι πυρηνικές αντιδράσεις απελευθερώνουν εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από τις χημικές αντιδράσεις.

10 Η ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ ΥΛΗΣ Μπορούμε να παραστήσουμε τον πυρήνα σαν μια σφαιρική σταγόνα, ο όγκος της οποίας θα αυξάνει ανάλογα με τη μάζα έτσι ώστε η πυκνότητα της να είναι πάντα σταθερή. Αφού m = A u (A= μαζικός αριθμός, u = 1, kg (=ατομικές μονάδες μάζας μάζα νουκλεονίου), για ρ = σταθερή, θέλουμε m ~ V ~ A u ~ 4/3πR3 R ~ A1/3 (R = ακτίνα του πυρήνα) R R0 A1 / 3 R0 1, m 1,2 fm Επομένως, υπολογίζεται: m A u A u 1, kg , 3 10 kg / m V (4 / 3) R 3 (4 / 3) R03 A 4, m 3

11 Αν συγκρίνουμε την πυρηνική πυκνότητα με αυτή ενός στοιχείου π.χ. σιδήρου (πυκνότητα σιδήρου 8000 kg/m3) παρατηρούμε ότι ο πυρήνας έχει 13 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη πυκνότητα από το μακροσκοπικό υλικό. Πυκνότητες αυτού του μεγέθους απαντώνται στους αστέρες που ονομάζονται λευκοί νάνοι, οι οποίοι μοιάζουν με γιγαντιαίους πυρήνες. 1 cm3 πυρηνικού υλικού θα ζύγιζε 230 εκατομύρια τόνους!

12 Μαζικός αριθμός (Α) = Ατομικός + αρ. Νετρονίων Α=Ζ+Ν A Z X Ο ατομικός αριθμός Ζ είναι χαρακτηριστικός του ατόμου κάθε στοιχείου και καθορίζει τη θέση του στο περιοδικό σύστημα και τις ιδιότητες του ατόμου, επειδή ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που υπάρχουν στο ουδέτερο άτομο. Όλα τα άτομα του ίδιου στοιχείου δεν έχουν τον ίδιο πάντοτε αριθμό νετρονίων στον πυρήνα τους και επομένως έχουν διαφορετικό μαζικό αριθμό Α. Τα στοιχεία με ίδιο ατομικό αριθμό Ζ και διαφορετικό μαζικό Α, δηλαδή με διαφορετικό αριθμό νετρονίων Ν στον πυρήνα, ονομάζονται ισότοπα γιατί βρίσκονται στον ίδιο τόπο του περιοδικού συστήματος. Ένα ισότοπο Χ απεικονίζεται, συνήθως, με τη μορφή:

13 ΙΣΟΤΟΠΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Τα 3 ισότοπα του Υδρογόνου 1 H, 1 H, 1 H, εμφανίζουν σημαντικές διαφορές και κατ εξαίρεση έχουν τα δικά τους ονόματα. Το κοινό Υδρογόνο (Ζ=1, Α=1) είναι το ελαφρότερο και το συνηθέστερο (99.985%) Το Δευτέριο 21D με ένα επιπλέον νετρόνιο εμφανίζεται αρκετά σπάνια (0.015%). Για κάθε 6500 άτομα κοινού υδρογόνου υπάρχει μόνο 1 άτομο δευτερίου. Το ραδιενεργό Τρίτιο 31Τ με ακόμη ένα νετρόνιο είναι μακράν το λιγότερο άφθονο (για κάθε 1018 άτομα 1Η υπάρχει ένα άτομο 3Τ) Εξαιτίας της τεράστιας διαφοράς που παρουσιάζουν τα ισότοπα αυτά ως προς τη μάζα τους δεν είναι περίεργο ότι εμφανίζουν διαφορές στις χημικές και φυσικές τους ιδιότητες. Π.χ. οι ζωντανοί οργανισμοί ανταποκρίνονται διαφορετικά στο νερό που σχηματίζεται από οξυγόνο και δευτέριο, γνωστό και ως βαρύ ύδωρ, το οποίο επίσης διαφέρει στα σημεία βρασμού και τήξης. Τα παγάκια, επίσης, του βαρέως ύδατος αν και έχουν τη συνηθισμένη όψη και γεύση δεν επιπλέουν στην επιφάνεια του κοινού νερού.

14 Οι σταθερότεροι πυρήνες Ραδιενεργή διάσπαση Ραδιενεργή σύντηξη ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑ ΠΥΡΗΝΩΝ

15 ΜΕΤΑΣΤΟΙΧΕΙΩΣΗ ΠΥΡΗΝΩΝ Πυρήνες με μεγάλο ατομικό αριθμό διασπώνται (αυθόρμητα ή εξαιτίας εξωτερικής διέγερσης) σε άλλους με διαφορετικό, υπό ταυτόχρονη έκλυση ακτινοβολίας Το φαινόμενο ονομάζεται ραδιενεργός διάσπαση Η μετάπτωση των αρχικών πυρήνων σε πυρήνες άλλων στοιχείων λέγεται μεταστοιχείωση Οι αρχικοί πυρήνες ονομάζονται μητρικοί Οι παραγόμενοι πυρήνες ονομάζονται θυγατρικοί Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη ραδιενεργό διάσπαση, είτε με τη μορφή κινητικής ενέργειας των σωματίων είτε με τη μορφή Η/Μ ακτινοβολίας, προέρχεται από μετατροπή μέρους της μάζας του αρχικού πυρήνα σε ενέργεια

16 α, β και γ ακτινοβολία α-ακτίνες απορροφώνται εύκολα 1903 Rutherford & Geiger α-σωματίδιο έχει φορτίο +2e 1908 Rutherford & Royds α-σωματίδιο είναι ο πυρήνας του ατόμου του He β-ακτίνες διεισδυτικές 1899-αποκλίνουν υπό μαγνητικά πεδία 1900-έχουν αρνητικό φορτίο και e/m πολύ κοντά σε αυτό των καθοδικών ακτίνων 1902-μάζα ίση με αυτή του e Οι ακτίνες-β είναι ηλεκτρόνια γ-ακτίνες δεν αποκλίνουν σε μαγνητικό πεδίο Πολύ διεισδυτικές 1914: RutherfordAndrade ακτίνες γ: Η/Μ ακτινοβολία όπως ακτίνες-x αλλά μπορούν να έχουν ακόμη μικρότερο μήκος κύματος ~10pm (πιο διεισδυτικές)

17 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΤΗΝ ΥΛΗ Φορτισμένα σωμάτια: Σωμάτια α, β και πρωτόνια Προκαλούν ιοντισμό των ατόμων και διέγερση, ιοντισμό ή και διάσπαση των μορίων. Ενέργεια σωματίου α ή β 1MeV Ενέργεια ιοντισμού 10eV 1 τέτοιο σωμάτιο μπορεί να προκαλέσει χιλιάδες ιοντισμούς Ουδέτερα σωμάτια: Νετρόνια και νετρίνα Νετρόνια μεταστοιχείωση πυρήνων, καταστροφή μορίου, μετακινήσεις ατόμων στα μέταλλα και αλλαγή των μηχανικών ιδιοτήτων τους Νετρίνα ελάχιστη αλληλεπίδραση με την ύλη Η/Μ ακτινοβολία: Ακτινοβολία Χ και γ Προκαλούν διέγερση και ιοντισμό ατόμων ή μορίων. Μέσω φωτοηλεκτρικού φαινομένου, φαινομένου Compton ή δίδυμης γένεσης παράγουν ελεύθερα ηλεκτρόνια τα οποία προκαλούν παρόμοια αποτελέσματα με αυτά των φορτισμένων σωματιδίων.

18 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ Ιοντισμός μορίων --> παράγονται ιόντα και ελεύθερες ρίζες (π.χ Η+, ΟΗ- κ.α.) εξαιρετικά δραστικές που οδηγούν σε χημικές αντιδράσεις διαφορετικές από τις φυσιολογικές. Απελευθέρωση e- μοριακών δεσμών μεταβολή της δομής του μορίου Καταστροφή-μεταβολή πρωτεϊνικού μορίου: Αντικαθιστάται με άλλο που παράγεται από το γονίδιο. Καταστροφή πολλών μη αντιστρέψιμο φαινόμενο. Καταστροφή-μεταβολή μορίου DNA: Μεταβολή γονιδίων μεταβολή δομής παραγομένων πρωτεϊνών μετάλλαξη ή θάνατος κυττάρου. Ο οργανισμός μπορεί εύκολα να αντικαταστήσει ένα κατεστραμμένο κύτταρο ενώ η αντικατάσταση μεγάλου αριθμού κυττάρων είναι προβληματική. Ένα πάλι μεταλλαγμένο κύτταρο μπορεί να παράγει και άλλα ελαττωματικά κύτταρα δημιουργία αποικίας κυττάρων ξένων προς τη λειτουργία του οργανισμού κακοήθης όγκος (ταχύς πολλαπλασιασμός των κυττάρων του χωρίς σεβασμό του περιβάλλοντός του) Γενετικές καταστροφές Σωματικές καταστροφές Καταστροφή ή μετάλλαξη των Δημιουργία καρκινώματος κυττάρων αναπαραγωγής Οξεία ακτινοπληξία Στείρωση

19 Ενεργότητα πηγής: ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Ο αριθμός των πυρήνων ραδιενεργού πηγής dn που διασπώνται στη μονάδα του χρόνου dt: O αριθμός των διασπάσεων είναι dn ανάλογος προς τον αριθμό C N ραδιενεργών πυρήνων που έχουν dt απομείνει, άρα η ενεργότητα ελαττώνεται με το χρόνο Καμπύλη διάσπασης για ένα δείγμα ραδιενεργού στοιχείου Επίσης, γραφική παράσταση της ενεργότητας συναρτήσει του χρόνου για το συγκεκριμένο δείγμα

20 Ενεργότητα Πηγής Μονάδες: 1 Curie: διασπάσεις που παρατηρούνται σε 1gr Ra μέσα σε χρονικό διάστημα 1s 1 Curie (Ci) = 3,7 x 1010 διασπάσεις / s 1 Becquerel (Bq) [S.I.] = 1 διάσπαση / s 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq Ειδική Ενεργότητα Πηγής: Η ραδιενέργεια dc ορισμένης μάζας dm της πηγής δια της μάζας αυτής: dc / dm Μονάδες: 1 Ci / gr 1 Bq / Kg = 2,7 x Ci / gr

21 Χρόνος υποδιπλασιασμού (t1/2): Ν --> Ν0/2 (χρόνος μέσα στον οποίο έχουν μείνει αδιάσπαστοι οι μισοί αρχικοί ραδιενεργοί πυρήνες) N N 0 2 N0 ln 2 0,693 N N 0 exp t N 0 exp t1/ 2 t1/ 2 2 Ο ραδιενεργός πυρήνας έχει πεθάνει μετά από t = 10 x t1/2 Πυρήνας t1/2 U 4, χρόνια Έκλυση μικρής ποσότητας ραδιενέργειας σε δεδομένο χρόνο Ra 1620 χρόνια Εκλύει σημαντικά ποσά ραδιενέργειας και για μεγάλο χρονικό διάστημα Th 8,0 ημέρες Ισχυρά ραδιενεργός αλλά η ραδιενέργεια σύντομα φτάνει να γίνεται αμελητέα

22 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Δόση: Μέτρηση της ακτινοβολίας που απορροφάται από ένα οργανισμό Απορροφούμενη Δόση (D): Ορίζεται ως η ενέργεια E που αποθέτει η προσπίπτουσα ακτινοβολία κατά τη διέλευση της στη μονάδα μάζας m των ιστών. D=E/m Μονάδες: 1 rad (radiation absorbed dose): ορίζεται ως η ποσότητα ακτινοβολίας που αποθέτει 0,01J ενέργειας ανά χιλιόγραμμο μάζας ιστού 1 rad = 0,01 J/kg S.I. 1Gray (1 Gy) = 1 Joule/kg = 102 rad Η απορροφηθείσα δόση αναφέρεται σε όλες τις ακτινοβολίες και αποτελεί μέτρηση της ολικής ενέργειας που απορροφά δεδομένο τεμάχιο ύλης ή οργανισμός. Δεν αποτελεί μόνη της μέτρο των βιολογικών επιπτώσεων διότι τα βιολογικά αποτελέσματα δεν εξαρτώνται μόνο από τη δόση αλλά και από το είδος της ακτινοβολίας. Π.χ. Δεδομένη δόση ακτινοβολίας-α προκαλεί 10 φορές περισσότερες βιολογικές βλάβες από ίση δόση ακτίνων Χ

23 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Ισοδύναμη Δόση (H): Μέτρηση της ακτινοβολίας που δέχεται ένας οργανισμός λαμβανομένων υπόψη των βιολογικών επιδράσεων αυτής Ισούται με το γινόμενο της απορροφούμενης δόσης επί ένα συντελεστή ποιότητας που ονομάζεται Σχετική Βιολογική Δραστικότητα (RBE, Relative Biological Effectiveness), ο οποίος εξαρτάται από το είδος της ακτινοβολίας: H = D x RBE Μονάδες: 1 rem (röentgen equivalent in man) = 1 rad RBE S.I. 1 Sievert (1 Sv) = 1 Gy RBE 1 Sv = 102 rem Ακτινοβολία Η/Μ ακτινοβολία (Χ ή γ) Σωμάτια β με ενέργεια > 30 kev Βραδέα νετρόνια Ταχέα νετρόνια Σωμάτια α Βαρέα ιόντα Συντελεστής Ποιότητας (RBE)

24 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ

25 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ

26 Χρήσεις της ακτινοβολίας Ιατρική: Διάγνωση - Θεραπεία Διάγνωση Ακτινογραφίες Ιχνηθέτες: 131Ι για τη λειτουργία του θυρεοειδούς αδένα 32 P εντοπίζεται στα οστά, 59Fe στην σπλήνα, 210Pb στα νεφρά Θεραπεία Ακτινοβόληση καρκινικών όγκων: - ακτινοβολία γ (60Co) και Χ αλλά συχνά και πρωτόνια, ηλεκτρόνια ή άλλα φορτισμένα σωματίδια μετά από κατάλληλη επιτάχυνση τους. - Εισαγωγή ραδιοϊσοτόπου μέσω της πεπτικής ή κυκλοφοριακής οδού, π.χ. εισαγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων 131Ι για τη θεραπεία καρκινικών όγκων ή υπερθυρεοειδισμού

27 Γεωπονία χρησιμοποίηση ραδιοϊσοτόπων ως ιχνηθέτες αυτοραδιογραφία λήψη ακτινογραφήματος στο οποίο αποτυπώνεται η κατανομή των ραδιοϊσοτόπων - Φωσφορούχο λίπασμα στο οποίο ο κοινός φώσφορος έχει αντικατασταθεί με 32Ρ. Μελέτη της ταχύτητας και του τρόπου απόθεσης του φωσφόρου σε διάφορα σημεία του φυτού. - 14C: Βρίσκεται σε πολύ μικρό ποσοστό στο διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας και προσλαμβάνεται κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. Είναι ραδιενεργό ισότοπο με χρόνο υποδιπλασιασμού 5760 χρόνια. Μελέτη των τμημάτων του φυτού που μετέχουν στη φωτοσύνθεση. - 15Ο ή 19Ο: Υδατικό διάλυμα εμπλουτισμένο με αυτά τα ραδιοϊσότοπα εισάγεται στο ριζικό σύστημα του φυτού χαρτογράφηση της πορείας του μεταβολισμού.

28 ραδιοχρονολόγηση Γεωλογία: Μέτρηση του λόγου 40Κ προς 40Ar (t1/2 = 1,25 χ 109 έτη) ή 235 U προς 207Pb για τον υπολογισμό της ηλικίας πετρωμάτων από τη γη, το φεγγάρι και μετεωριτών. Αρχαιολογία: Μέτρηση επιπέδου 14C (t1/2 = 5730 έτη) και σύγκριση του με εκείνο που θα έπρεπε να υπάρχει αν δεν είχαν σταματήσει οι φυσιολογικές λειτουργίες του φυτικού ή ζωικού οργανισμού για τον υπολογισμό της ηλικίας του ευρήματος

29 Η ακτινοβολία γ ανακόπτεται πολύ δύσκολα και από υλικά με μεγάλο μαζικό αριθμό dj 1 dj Jdx J dx μ (σταθερά): Συντελεστής απορρόφησης. Eξαρτάται από το υλικό που απορροφά και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας Το ποσοστό της εντάσεως της ακτινοβολίας που απορροφάται από υλικό στη μονάδα πάχους dx. Μονάδες μ: (μήκος)-1 [ cm-1 ή mm-1]

30 Για φύλλο πεπερασμένου πάχους x: J x dj dx J dj Jdx 0 J J 0 e x J0 x½: Πάχος ημιαπορρόφησης το πάχος του φύλλου του υλικού για το οποίο η αρχική ένταση J0 μειώνεται κατά το ήμισυ J J 0 e x J J 0 2 J0 ln 2 0,693 J 0 exp x1/ 2 x1/ 2 2 Κατασκευή θωράκων: - Υλικό μεγάλου μαζικού αριθμού - φθηνό Μόλυβδος